Che cos'è un motore? Come funziona?

Che cos'è un motore? Come funziona?

Il motore è una macchina motrice che ha la proprietà, quando sia alimentata da una data energia, generalmente non meccanica, di fornire in uscita un lavoro meccanico utile.

I motori si classificano a seconda dell'alimentazione, mezzo che può essere fluido (gassoso o liquido), o solido.

I motori che sfruttano un fluido gassoso rientrano nella categoria delle motrici a vapore a stantuffo e le turbine a vapore, (nelle quali il fluido è il vapore) e il gruppo dei motori a combustione interna.

I tipi di motore che sfruttano un mezzo solido sono il motore a peso o a molla e il motore a inerzia, ad es. (i meccanismi di antichi orologi e di molti giocattoli).

Il motore di cui mi occupo è a combustione interna, cioè il suo funzionamento si basa su cicli termodinamici con la produzione di lavoro esterno.

I motori a combustione interna

I motori a combustione interna si distinguono in due gruppi:

motori a carburazione o ad accensione comandata,

motori Diesel o ad accensione spontanea

I due gruppi possono essere suddivisi in:

motori a 4 tempi e motori a 2 tempi.

Motori a carburazione a 4 tempi

Il motore a carburazione a 4 tempi viene principalmente impiegato nel campo automobilistico.

Le parti principali che lo costituiscono sono:

cilindro e camera di combustione,

pistone,

biella,

albero a gomiti o manovella,

testata,

monoblocco,

coppa dell'olio,

valvole di aspirazione e di scarico,

candela,

albero a camme.

Ciclo di un motore a carburazione a 4 tempi

Il ciclo si compone di quattro fasi: aspirazione, compressione, trasformazione, scarico.

Il funzionamento di un motore a carburazione a 4 tempi può essere rappresentato tramite un grafico che esprime sia il ciclo teorico che il ciclo nella realtà.

Rappresentazione del ciclo teorico

Fase di aspirazione 0-1 il pistone si apre cioè si sposta dal punto morto superiore al punto morto inferiore creando all'interno del cilindro una depressione che consente l'entrata della miscela aria-benzina; teoricamente, quando il pistone si trova al punto morto superiore, si apre contemporaneamente la valvola di aspirazione che resta aperta fino a quando il pistone non raggiunge il punto morto inferiore; a questo punto, la valvola si richiude. Naturalmente la pressione dovrà rimanere costante.

Fase di compressione 1-2, a valvole chiuse, il pistone si sposta dal punto morto inferiore al punto morto superiore e avviene, nella camera di combustione, la trasformazione della miscela; supponendo senza scambi di calore tra il gas nel cilindro e l'esterno, avremo quindi una trasformazione adiabatica.

A questo punto grazie alla candela scocca la scintilla si infiamma la miscela e si ha la combustione.

Fase della combustione 2-3 alla fine della combustione il gas ha raggiunto una pressione di circa 35/45 bar e una temperatura di circa 2300°C . A questo punto la pressione è elevata e spinge il pistone dal punto morto superiore al punto morto inferiore 3-4 sempre attraverso una trasformazione adiabatica, senza quindi scambi di calore, il gas che si è combusto si espande e l'energia termica che possiede si trasforma in energia meccanica sull' albero motore. Questa è la fase più utile del ciclo infatti si trasforma l'energia.

Fase di scarico 4-1 dopo che la miscela si è trasformata e cioè alla fina della combustione la temperatura è ancora elevata circa 1000°C e la pressione è di 4/5 bar a questo punto si apre la valvola di scarico in cui il gas combusto fuoriesce dal cilindro per differenza di pressione. Naturalmente si suppone che la trasformazione 4-1 sia avvenuta a volume costante.

Il pistone ha compiuto 4 corse eseguendo il ciclo in 4 tempi, si torna alle condizioni iniziali per ricominciare il ciclo.

Nella realtà la trasformazione dell'energia avviene seguendo le 4 fasi ma con alcune variabili.

Nella fase di aspirazione 0-1 a causa delle perdite che si generano nel condotto di

aspirazione si avrà una depressione e non un pressione costante come nel ciclo teorico;

nella fase 1-2 di compressione la trasformazione non è adiabatica ma politropica, cioè il cilindro scambia calore con l'esterno;

la fase 2-3 di combustione non è istantanea e non è a volume costante, la miscela ha bisogno di un breve tempo per bruciare e in questo arco di tempo il pistone si muove;

la fase 3-4 dell'espansione la trasformazione non sarà adiabatica ma politropica cioè con scambio di calore tra il cilindro e l'esterno,

la fase di scarico 4-1 non avviene a volume costante perché la valvola di scarico si apre prima che il pistone raggiunga il punto morto inferiore e nemmeno la pressione è costante

perché lo scarico avviene a pressione maggiore di quella atmosferica.

Quindi il ciclo teorico è diverso da quello reale, nel primo sia la pressione che il volume sono costanti, invece nel secondo cioè il ciclo reale si avrà un'area negativa causata dalla depressione nella fase di aspirazione e da una sovrapressione nella fase dello scarico.

Un' altra differenza è rappresentata dalle valvole di aspirazione e di scarico le quali nel ciclo teorico si aprono e si chiudono istantaneamente quando il pistone ha raggiunto i punti morti; nella realtà le valvole si aprono e si chiudono con opportuni anticipi e ritardi.

L'apertura delle valvole è comandata dall'albero a camme che è mosso dall'albero motore con un rapporto di trasmissione di 2, cioè quando l'albero motore compie 2 giri l'albero a camme ne compie solo uno.

L'operazione di stabilire gli opportuni ritardi e anticipi si chiama distribuzione e consiste nel modificare l'angolazione del pistone al punto morto superiore e al punto morto inferiore.

Nella fase di aspirazione si avrà un anticipo all'aspirazione di circa 10° /20° e un ritardo alla chiusura di circa 20°-55° in modo da favorire l'entrata di una maggiore quantità di miscela. Si avrà la combustione in anticipo la scintilla della candela si fa scoccare prima che il pistone abbia raggiunto il punto morto superiore e finisce prima che il pistone raggiunge il punto morto inferiore.

Anche lo scarico sarà anticipato, la valvola di scarico si aprirà prima che il pistone raggiunga il punto morto inferiore favorendo la fuoriuscita dei gas combusti per differenza di pressione, in genere l'angolo di anticipo è di circa 35°-60°. Per facilitare la pulizia totale del gas combusto rimasto nella camera di combustione, si opera un ritardo nella chiusura dello scarico, di circa 10°- 25° in questo modo la nuova miscela che sta entrando spinge fuori dalla camera i gas bruciati.

La miscela di aria e benzina che entra nella camera di combustione viene regolata da un organo importante il carburatore. Il carburatore viene alimentato da una pompa a membrana comandata da un albero a camme. La pompa risucchia il carburante dal serbatoio e lo invia nel carburatore.

Nel carburatore la benzina si mescola con l'aria e si forma la miscela che entra nel cilindro durante la fase di aspirazione.

Ora la miscela che si trova nella camera di combustione viene compressa dal pistone viene accesa dalla candela, che fa scoccare una scintilla fra gli elettrodi ed innesca la combustione della miscela. Questa operazione si chiama accensione.

La corrente alle candele è generata dalla batteria che fornisce una tensione a 12 volt ed è caricata da un alternatore azionato dall'albero motore. Un apposito distributore, mosso dall'albero motore, manda la corrente alle candele nella sequenza desiderata; il controllo della tensione della corrente viene effettuato dalle puntine platinate.

Nei motori ad accensione elettronica le puntine platinate e la loro funzione è eseguita da una centralina elettronica.

Motori a carburazione a 2 tempi

Il funzionamento del motore a due tempi segue il ciclo del motore a 4 tempi con la differenza che il ciclo si completa in due tempi.

Una differenza fondamentale è l'assenza delle valvole al cui posto si trovano delle luci posizionate nella parete del cilindro.

Le luci possono essere tre:

luce di aspirazione della miscela nel carter

luce di immissione dal carter nel cilindro

luce di scarico

Nella prima fase quando il pistone si sposta dal punto morto inferiore al punto morto superiore si scopre la luce di aspirazione e viene aspirata la miscela; quando il pistone si muove dal punto morto superiore verso il punto morto inferiore scopre la luce di scarico e poi quella di immissione.

La nuova miscela che viene dal carter pulisce il cilindro dai gas bruciati residui effettuando il lavaggio ma facendo perdere anche una parte di miscela fresca che esce insieme ai gas di scarico.

Nella fase dell' espansione quando si scopre la luce di scarico si ha una diminuzione della pressione perché contemporaneamente fuoriescono i gas di scarico e quindi una diminuzione della potenza.

Per questo motivo un motore a 2 tempi, a parità di cilindrata e numero di giri, dovrebbe avere una potenza doppia rispetto a quello a 4 tempi, ha invece una potenza maggiore della metà rispetto a quella del 4 tempi.

Il motore a 2 tempi è più semplice da costruire e per l'assenza delle valvole è molto impiegato nel campo del motociclismo. E'vantaggioso perché più leggero per l'assenza delle valvole e del circuito di lubrificazione, infatti l'olio necessario per la lubrificazione viene miscelato direttamente nella benzina.

Ma questo presenta uno svantaggio, l'olio presente nella benzina sporca le candele e bruciando inquina l'atmosfera.

Ma quando fu inventato il motore e chi lo inventò?

Per trovare una risposta dobbiamo tornare indietro di molti anni fino ad arrivare al 1750-1850, secolo in cui comincia l'era del vapore, nella prima rivoluzione industriale. La conquista tecnica che cambiò radicalmente l'attività industriale fu l'invenzione della macchina a vapore. Grazie a questa invenzione, che comunque fu modificata e rinnovata nel tempo, tutti i settori industriali ebbero uno forte sviluppo con un elevato aumento della produzione e dei mercati, soprattutto il settore tessile e metallurgico.

La prima macchina alimentata dall'energia prodotta dal vapore fu costruita da Thomas Newcomen. Egli era un fabbro inglese che inventò una macchina a bilanciere utilizzata per prosciugare i pozzi che venivano inondati dalle infiltrazioni dell'acqua.

Questa macchina fu usata per molti anni in Inghilterra e in tutti gli altri paesi, ma presentava un difetto, il cilindro surriscaldandosi si dilatava e provocava una alta dispersione di energia con conseguenza di un elevato consumo del combustibile.

Fu un ingegnere scozzese James Watt, che molto interessato alla macchina a vapore ne migliorò le prestazioni apportando numerosi cambiamenti positivi quali:  l'aggiunta di un regolatore della velocità del motore e uno strumento che trasformava il movimento verticale del pistone in moto rotatorio.

La macchina a vapore di Watt trovò applicazione ai telai meccanici, alle pompe, ai nastri trasportatori di carbone, determinando un importante cambiamento del lavoro dal sistema artigianale della bottega a quello della fabbrica dove l'unico scopo era quello di produrre merci e prodotti nel modo più veloce possibile e in grandi quantità.

Si svilupparono molti settori industriali quali: il settore metallurgico, il settore tessile e numerose furono le innovazioni con l'impiego delle macchine utensili, furono usati i torni, le smerigliatrici, le piallatrici ed altre macchine che produssero parti di altre macchine.

Dalla grande produzione si passa alla distribuzione sul mercato dei beni prodotti; l'aumento dei beni sul mercato determina una diminuzione dei prezzi e quindi uno stimolo agli acquisti.

Oltre allo sviluppo del settore industriale, economico e commerciale ci fu anche l'aumento della popolazione, la nascita delle città e un miglioramento del tenore di vita.

Anche nel settore dei trasporti ci furono grandi innovazioni: la ferrovia, la nave a vapore, la bicicletta, l'aereo e l'automobile.

L'automobile nacque grazie alla combinazioni di alcune scoperte esistenti, come il motore a scoppio. Il  primo modello di motore a quattro tempi fu costruito, nel 1832-1891, dall'ingegnere tedesco Nicoalus August Otto, il cosiddetto motore a ciclo Otto, che ebbe un grande successo.

Il motore a scoppio fu perfezionato con l'introduzione della benzina e i tedeschi Daimler e Karl Benz furono i primi a costruire un motore a ciclo Otto alimentato a benzina. Per migliorare il comfort e la velocità furono montate le ruote di gomma.

La prima automobile a combustione interna fu costruita nel 1885 raggiungeva una velocità di 15 Km all'ora e fu l' antenata di tutte le automobili moderne.

Nacquero molte industrie automobilistiche, soprattutto negli Stati Uniti d'America dove alla fine dell'Ottecento alcuni imprenditori rivoluzionarono il sistema produttivo seguendo la teoria introdotta da Frederick Winslow Taylor.

Il  Taylorismo: Taylor riorganizzò i tempi e il ritmo del lavoro industriale cercando di eliminare la differenza di compiti tra gli operai attraverso una attenta divisione delle fasi di lavoro. Secondo Taylor si otteneva: un elevato aumento della produttività e la possibilità di impiegare in fabbrica manodopera anche non qualificata ma capace di adeguarsi ai ritmi e ai tempi della lavorazione grazie alle nuove forme di razionalizzare il lavoro.

La sua teoria fu applicata nello stabilimento automobilistico di Henry Ford dove all'epoca si produceva l'automobile 'modello T' e con l'introduzione di questa teoria il tempo medio si ridusse da 728 minuti a 93.

Con Ford iniziò la produzione di massa e l'introduzione della catena di montaggio, che ha permesso la produzione in serie e la divisione del lavoro.

Nel brano antologico 'La mia vita e la mia opera' di H. Ford, che rappresenta uno scritto autobiografico dell'industriale, sono spiegati i principi fondamentali della catena di montaggio. Fondamentale era per Ford 'Portare il lavoro agli operai e non gli operai al lavoro' un operaio, se possibile non deve fare un passo e non deve distrarsi dal ritmo del suo lavoro girandosi a destra e a sinistra.

Quindi tutto doveva essere collocato secondo l'ordine successivo delle fasi di lavoro, sia gli uomini che gli strumenti; usare carrelli su binari che trasportano i pezzi da un settore all'altro; regolare il sistema di trasporto del materiale da montare per giungere al momento giusto. L'applicazione di questi principi determinò la riduzione di pensiero degli operai e la eliminazione di ogni movimento superfluo.

Il principio della catena di montaggio divenne il simbolo dell' organizzazione industriale del Novecento. Ma Ford si preoccupò anche dell'incremento dei salari degli operai, il lavoratore doveva ricevere un salario giusto, equo, così oltre alla paga media giornaliera di 5 dollari egli fissò un premio, incentivo in base ad alcuni criteri: uomini sposati con famiglia regolare, ragazzi che mantenevano le madri e sorelle, uomini scapoli che vivevano rettamente.

Queste trasformazioni, economiche sociali e culturali hanno determinato la nuova civiltà moderna con nuovi modelli di lavoro e di vita e con tutti i vantaggi e gli svantaggi. Infatti se da un lato le condizioni economiche dell' operaio migliorano da un altro lato il lavoratore perde ogni forma creativa, non ha più idee, è costretto a ripetere sempre gli stessi movimenti, quindi si logora sia fisicamente che mentalmente, non è più libero.

Di fronte a queste nuove forme di organizzazioni di lavoro si distinguono due correnti: alcuni che esaltano la macchina, considerandola strumento fondamentale del progresso; altri autori, come D.H.Lawrence nella poesia "La macchina non trionferà"e A.Schweitzer nel brano "Agonia della civiltà" rifiutano la sua presenza e vorrebbero ritornare alla natura.